某公路路基填筑質量和沉降檢測研究

李余春

摘要 路基的填筑質量和沉降是評價路基工程質量和性能的重要指標，探究路基的填筑質量和沉降檢測方法對于保障公路運輸的安全和暢通具有重要意義。文章分別采用瑞雷波法和三維激光掃描技術對公路路基填筑質量及長期沉降進行檢測，并將其檢測結果分別與路基壓實度傳統灌砂法及水準測量路基沉降檢測數據進行對比。結果表明，采用瑞雷波法檢測的路基填筑質量與壓實效果均較好，根據相關參數建立了路基壓實度預測公式，整體預測誤差在0～1%；采用三維激光掃描技術測量路基斷面整體沉降的誤差較小，與水準測量的點、線沉降最大誤差為1.9 mm，小于容許誤差±3 mm。

關鍵詞 公路路基；填筑質量；沉降；檢測方法

中圖分類號 U414文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0141-03

0 引言

公路路基的性能直接影響行車的安全和舒適性[1]，隨著社會經濟的發展和交通運輸需求的增加，公路交通負荷不斷加大，對路基的要求也越來越高。如何準確、快速地評估路基的填筑質量和沉降，成為公路工程領域亟待解決的問題之一[2-3]。目前，已有多位學者針對公路路基檢測開展了相關研究，周輝林等[4]結合探地雷達技術和路基病害特征，提出了一種新穎的高速公路路基病害自動檢測算法，并利用該算法對江西省昌九高速公路南昌段采集的GPR數據進行了分析。在現有研究中，尚無對公路路基填筑質量及沉降的無損檢測技術。鑒于此，該文對瑞雷波法及三維激光掃描技術在公路路基檢測中的應用開展研究，研究成果可以為公路工程建設提供科學的依據和技術支持，推動公路工程質量的提升，促進交通運輸事業的發展。

1 工程概況

該研究依托某公路路基擴建工程，該路段全長約43 km，通車至今約20年，路基寬度為28 m，為雙向四車道公路。對公路路基兩側拼寬進行擴建，擴建后路基寬度約43 m，設計時速為120 km/h。施工場地內地形復雜，為丘陵地貌，地形高低起伏、高差較大，場地內地層主要為人工填土層、雜填土層和耕植土層。

2 檢測方法

2.1 路基填筑質量檢測

瑞雷波檢測方法是一種非破壞性檢測技術，用于評估材料或結構中的缺陷、損傷或異物。該方法利用瑞雷波在材料表面或結構中的傳播特性，通過監測波的傳播速度、衰減和反射等信息推斷目標區域的性質。瑞雷波是一種沿著表面傳播的橫波，其震動方向與傳播方向垂直，因此對材料中的表面和近表面的缺陷或變化具有較高的靈敏度。瑞雷波法主要分為瞬態法和穩態法，瞬態法的震源瞬間產生，無連續震動；穩態瑞雷波法是利用電磁激振器以固定頻率產生震動，設備復雜且成本較高，在工程中常采用瞬態法。將檢波器安裝在路基內部，利用檢波器檢測瑞雷波。依據檢波器的數量不同可劃分為多道及單道檢波器，其中單道檢波器信號采集量較少，誤差較大，常用在地基勘察領域；多道法在豎直方向上檢測分辨率高，結果精度較高，因此該文采用多道法計算波速。

2.2 沉降檢測

該研究采用相位式激光掃描儀檢測路基沉降，該儀器主要包括激光測距儀、角度傳感器、控制馬達、數據存儲設備等。三維激光掃描儀檢測公路路基沉降的基本原理是激光掃描儀通過發射激光束并記錄其反射回來的時間和角度信息，獲取被測對象表面的三維坐標點云數據。在檢測公路路基沉降時，將激光掃描儀安裝在適當位置，可以對路面進行全方位的掃描。隨著時間的推移，路基可能會發生沉降，導致路面高度發生變化，激光掃描儀可以在不接觸路面的情況下快速、精確地獲取路面各點的坐標數據，并通過比對不同時間點的數據，從而計算出路基沉降情況。

3 檢測結果分析

3.1 路基填筑狀況分析

根據施工現場情況布置測區，每個測區布置9個測點，采用網格布置，分為三排三列。其中，新建路基、舊路基和新舊路基連接處各布置3個測點，相鄰測點橫豎間距均為3 m。路基波速深度曲線如圖1所示，觀察圖1可知，三種路基的波速深度曲線呈現出不同的變化規律。其中，拼寬路基與新建路基波速隨深度的變化規律相似，隨著路基深度的增加呈現出先增大后減小再持續增大的規律，在1～2 m深度范圍內存在拐點；舊路基波速深度曲線較為光滑，總體上呈增加趨勢，無明顯拐點，表明舊路基壓實性較好且相對均勻，這是由于舊路基經過了較長時間的使用和車輛行駛，壓實作用使得路基土壤密實，并且在不同深度的壓實效果相對均勻；拼寬路基的波速變化幅度最大，在路基1～3 m深度范圍內波速變化與新建路基相近，在3 m深度以下隨著深度增大，波速逐漸增加，這是由于拼寬路基是由新建路基與舊路基拼接而成。上述分析表明路基的填筑質量總體較好。

3.2 壓實度分析

采用瑞雷波法檢測路基不同深度的壓實度，并與傳統灌砂法檢測結果進行對比。基于相關參數建立的路基壓實度與波速的關系式為：

（1）

式中，K、ρ0——壓實度、土體的最大干密度（g/cm3）；a、b——相關系數；VR——瑞雷波波速（m/s）。

將由灌砂法測得的干密度與瑞雷波法波速進行擬合，如圖2所示，不同深度波速與干密度擬合相關系數均大于0.8，表明相關性比較顯著。

將各擬合式中的擬合參數a、b數值代入式（1），得到不同深度路基瑞雷波波速與壓實密度之間的關系式如下：

（2）

（3）

（4）

（5）

將瑞雷波法不同深度實測波速代入上述各式，即可得到路基壓實度預測值。選取3處測點，將預測值與傳統灌砂法的檢測結果進行對比，如表1所示。根據表1可知，兩種方法的絕對誤差在0～1.0%之間，表明采用瑞雷波法預測的路基壓實度精度較高，誤差較小，路基的壓實效果良好。

3.3 沉降分析

根據施工現場情況布置觀測區，分別在新建路基、拼寬路基、舊路基中各選取一個監測斷面，共選取3個監測斷面，每個監測斷面設置4個監測點。在設置測站時應遵循掃描區域全覆蓋、布置站數最少、相鄰測站間標靶數不低于3個等原則。對施工區域進行掃描獲取測量數據，并對點云數據進行處理，對路基進行長期監測，不同斷面監測點沉降變化如圖3所示。

觀察圖3可知，采用水準測量的新建路基監測斷面1中的測點1～測點4的沉降量分別為0.6 mm、0.67 mm、0.79 mm和0.68 mm，平均沉降量0.69 mm；舊路基中測點1～測點4的沉降量分別為0.62 mm、0.61 mm、0.6 mm和0.58 mm，平均沉降量0.6 mm；拼寬路基中測點1～測點4的沉降量分別為0.61 mm、0.6 mm、0.7 mm和0.81 mm，平均沉降量為0.68 mm。總體上，新建路基、拼寬路基與舊路基的平均沉降量相差不大，表明路基的壓實質量較好，同時也證明了采用瑞雷波法檢測路基壓實度準確率較高。

在沉降監測初期，采用三維激光掃描儀對監測斷面各測點進行掃描并記錄數據。在監測結束時，再次掃描，將兩次掃描的測點數據疊加處理，即可得到監測斷面的整體沉降。通過三維激光點云數據分析斷面整體沉降變化，并與水準測量的點、線沉降進行對比。從結果可知，監測斷面1的整體沉降為0～0.13 cm，與采用水準測量方法獲得的點線沉降之間的誤差約為0.06 cm；監測斷面2的整體沉降在0～0.25 cm，與所測得的點線沉降間的誤差約為0.19 cm；監測斷面3的整體沉降為0～0.067 cm，誤差較小，基本與點、線沉降測量值一致。根據相關規范，沉降測量的容許誤差為±3 mm，表明采用三維激光掃描技術測量路基沉降的精度較高。

4 結論

（1）新建路基與拼寬路基波速隨著路基深度的增加呈現出先增大后減小再持續增大的規律，在1～2m深度范圍內存在拐點；舊路基波速隨深度變化總體上呈增加趨勢，無明顯拐點。

（2）將瑞雷波法波速與灌砂法測得的干密度進行擬合，建立了波速與土體干密度的關系，并給出了不同深度路基壓實度的預測公式，與灌砂法測量結果相比，誤差在0～1%之間。

（3）新建路基、拼寬路基壓實效果較好，在監測過程中與舊路基的平均沉降量相差不大；采用三維激光掃描技術檢測路基斷面的整體沉降結果準確率較高，最大誤差為1.9 mm，小于規范中要求的±3 mm。

參考文獻

[1]李丹楓， 楊廣慶， 劉偉超. PFWD模量控制的路基承載力動力學指標評價方法[J]. 土木工程學報， 2021（6）： 117-128.

[2]蔣紅光， 陳思涵， 孫輝， 等. 黃泛區中高液限黏土動、靜態回彈模量及預估模型研究[J]. 中國公路學報， 2021（3）： 103-112.

[3]陳靖宇， 蔡袁強， 曹志剛， 等. 非飽和公路路基填料長期動力特性試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2018（10）： 2406-2414.

[4]周輝林， 姜玉玲， 徐立紅， 等. 基于SVM的高速公路路基病害自動檢測算法[J]. 中國公路學報， 2013（2）： 42-47.